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激光熔覆是在工件表面加入熔覆粉末（送粉或预置粉末），利用高能量激光束（10 4 ～10 6 W／cm 2 ）作为热源照射在工件表面，在惰性气体气氛保护下，熔覆合金粉末快速熔化，照射结束后快速凝固，从而形成与基体材料性能完全不同的表面熔覆涂层。该熔覆涂层与基体之间有着良好的冶金结合，同时拥有优异的力学及化学性能，有利于提高基体表面的耐磨、耐腐蚀性。
激光熔覆技术于 20 世纪 70 年代开始应用于材料的表面处理，并得到快速的发展，目前已在现代工业领域广泛应用，表 3-1 为激光熔覆技术工业应用案例。
表3-1 激光熔覆技术工业应用案例
激光熔覆是一个快速加热和快速冷却的过程，与其他表面技术相比具有以下特点：
（1）激光束能量密度高，与基体作用时间短，加热速度快，因此基体的热影响区和变形相对较小，熔覆涂层与基体之间有良好的冶金结合。
（2）激光熔覆的冷却速度非常快，高达 10 6 ℃／s，从而使得凝固组织细化、固溶度大。
（3）激光熔覆涂层的组织结构致密，裂纹、孔洞等微观缺陷少，有利于提高材料表面的耐磨、耐腐蚀等性能。
（4）对熔覆材料基本无限制，熔覆的粉末可以是：Ni基、Co基、Fe基合金及陶瓷材料等，选择相对比较广泛。
激光熔覆可适用于不同的基体材料，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金等。在选择激光熔覆的合金粉末时，应考虑不同的基体材料、不同的工况条件和使用要求等因素，通过最佳匹配来获得高质量的熔覆涂层，一般应遵循以下几个基本原则：
（1）熔覆采用的合金粉末对基体材料有良好的浸润性，合金粉末表面张力越小，粉末的流动性越好，越有利于熔覆涂层铺展在金属基体的表面。
（2）选择流动性好的合金粉末，粉末的流动性由其形状、粒度、湿度和表面状态等因素来决定，一般粒度分布均匀的球形粉末的流动性较好。
（3）合金粉末的热膨胀系数与基体应尽量接近，以避免熔覆涂层中残余热应力的增加。
（4）合金粉末的熔点与基体材料的熔点相差不宜过高，一般略低于基体材料。若差异过大，则很难形成良好的冶金结合。
熔覆粉末的添加分为两步法和一步法，即粉末预置法和同步送粉法。同步送粉法与粉末预置法相比，两者熔覆和凝固结晶的物理过程有很大的区别。同步送粉法熔覆时合金粉末与基体材料表面同时熔化。粉末预置法则是先加热涂层表面，在依赖热传导的过程中加热整个涂层。
粉末预置法，是将熔覆粉末以某种方法预置于基体材料表面，然后用激光束扫描预置粉末层表面，预置粉末层在吸收激光能量后快速升温并熔化，同时激光热量通过热传导从表面传递至内部，从而使得整个预置粉末层和一部分基体材料熔化；激光束扫描后，熔化的合金发生快速凝固，从而在基体表面形成与之有着良好冶金结合的熔覆涂层。粉末预置式激光熔覆工艺如图 3-1 所示。
图3-1 粉末预置式激光熔覆工艺示意图
粉末黏结预置法是将粉末与黏结剂调制成膏状，涂在基体表面，然后再利用激光束进行熔覆。该工艺操作简单、灵活，应用比较广泛。一般常用的黏结剂有醋酸纤维素、环氧树脂、硅酸盐胶及含氧纤维素乙醚等。激光熔覆时，大多数黏结剂将燃烧或发生分解，并形成炭黑产物，这可能导致涂层内的合金粉末溅出和对辐射激光的周期性屏蔽，其结果是熔化层的深度不均匀，并且合金元素的含量下降。若采用以硝化纤维素为基体材料的黏结剂，例如糨糊、透明胶、氧乙烷基纤维素等，可以得到更好的实验结果。
同步送粉法采用专门的送粉器，将以气体为载体的合金粉末直接送入激光熔池，在激光的作用下，合金粉末和基体材料的一部分同时就地熔化，然后冷却形成合金熔覆涂层，并与基体形成冶金结合。同步送粉式激光熔覆工艺如图 3-2 所示。
图3-2 同步送粉式激光熔覆工艺示意图
同步送粉法具有易实现自动化控制、激光能量吸收率高、熔覆涂层内部无气孔和加工成型性良好等优点，尤其熔覆金属陶瓷可以提高熔覆涂层的抗裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆涂层内均匀分布。若同时加载保护气体，可防止熔池氧化，获得表面光亮的熔覆涂层。目前实际应用较多的是同步送粉式激光熔覆。
根据粉路和激光束的相对位置关系，同步送粉式激光熔覆可分为同轴送粉和旁轴送粉两种形式，如图 3-3 所示。
图 3-3 同步送粉式激光熔覆工艺示意图
（a）同轴送粉；（b）旁轴送粉
同轴送粉技术是激光熔覆成型材料供给方式中较为先进的供给方式，粉末流与激光束同轴耦合输出，而同轴送粉喷嘴作为同轴送粉系统的关键部件之一，已成为各科研单位的研究热点。目前，国内外大多数研究单位均研制出了适合自身需要的同轴送粉喷嘴，但现有的同轴送粉喷嘴大多存在粉末汇聚性差、粉末利用率低、出粉口容易堵塞等缺点。
旁轴送粉技术是粉料的输送装置和激光束分开，彼此独立的一种送粉方式，因此在激光熔覆过程中两者需要通过较复杂的工艺设计来匹配。一般旁轴送粉机构中，送粉口设计在激光束的行走方向之前，利用重力作用将粉末堆积在熔覆基体材料的表面，然后后方的激光束扫描在预先沉积的粉末上，完成激光熔覆过程。实际生产过程中，旁轴送粉的工艺要求送粉器的喷嘴与激光头有相对固定的位置和匹配角度。而且由于粉末预先沉积在工件表面，激光熔覆过程不能再施加保护气体，否则将导致沉积的粉末被吹散，熔覆效率大大降低。激光熔池由于缺少保护气体的保护，只能依靠熔覆粉末熔化时的熔渣自我保护。因此目前工业生产中，自熔性合金粉末应用于旁轴送粉系统的激光熔覆较多。熔覆粉末依靠B、Si等元素的造渣作用在熔池表面产生自我保护作用。但旁轴送粉系统复杂的粉光匹配、熔池气保护的难以实现，以及熔覆工艺与送粉工艺难以相互协调等缺点限制了其在应用中的进一步推广。
激光熔覆的目的是改善基体的性能，因此熔覆涂层的质量就显得至关重要。激光熔覆的工艺参数会直接影响熔覆涂层的组织形态、几何特性、物相分布和综合性能等，进而对熔覆涂层的成型质量产生决定性作用。在材料表面激光熔覆过程中，影响激光熔覆涂层质量和组织性能的因素很多。例如激光功率P、扫描速度、熔覆粉末的添加方式、搭接率与表面质量、稀释率等。因此，很有必要对激光功率、扫描速度和光斑直径等工艺参数进行优化，来制备性能优良的熔覆涂层。
激光功率的大小决定了熔池的最高温度，进而影响熔池的存在时间和形状尺寸。激光功率过低，会导致熔池的温度比熔覆材料的熔点低，熔池内存在未熔融颗粒，熔覆涂层内易产生组织不均匀、气孔和局部球化等现象。并且低激光功率难以使基体表层熔化，导致熔覆涂层的结合强度较低，难以与基体形成冶金结合界面，易在外部载荷的作用下脱落。而激光功率过高则会导致熔覆材料过熔甚至产生气化现象，熔覆涂层与基体间的稀释作用更加严重，导致材料的利用率降低。
Han等采用不同激光功率在 316L不锈钢表面制备了Ni基WC涂层，并观察了涂层的微观结构，结果表明：随着激光功率从 2 500 W增加到 3 500 W，涂层显微组织逐渐细化；当激光功率为 4 000 W时，涂层显微组织变粗大，出现烧蚀现象。姚芳萍等通过研究不同激光功率对Ni基涂层的影响，发现涂层表面的缺陷（裂纹、气孔等）随着激光功率的增大越发明显；1 600 W时的枝晶数量比1 400 W时的明显增加，且以针状枝晶为主。
扫描速度的大小决定了熔覆材料的加热时间，进而影响熔池的存在时间。扫描速度过低，熔覆材料加热时间长，熔池液相保温时间增加，导致凝固速度变慢，进而导致冷却速度减小，使晶粒生长充分，从而形成组织粗大的晶体，对熔覆涂层的性能产生不利影响。而扫描速度过高，熔覆材料的加热时间和熔池存在时间变短，熔覆材料可能未完全熔化，导致熔覆涂层与基体的界面结合情况变差，容易造成脱落。
Li等为了研究扫描速度对涂层稀释率和微观组织的影响规律，制备了Ti／Ti BCN复合涂层，发现涂层的稀释率与扫描速度成反比趋势：扫描速度增大稀释率下降。涂层的微观结构基本上是相同的，与扫描速度关系不大，主要由AlTi-Al 3 Ti相，TiBCN相、TiB 2 相、TiN相、TiC相组成。涂层的微观组织在扫描速度为7 mm／s时最佳，几乎无缺陷。郭士锐等研究了扫描速度对Co基合金涂层的影响，结果表明，涂层的微观组织随扫描速度的增加逐渐变得细小，而硬度和耐磨性随扫描速度的增加出现先增强后降低的变化规律；涂层硬度与耐磨性在扫描速度为 15 mm／s时最佳。
光斑直径大小会通过影响到单位面积下熔覆材料所吸收的激光能量，产生与激光功率和扫描速度类似的作用效果，进而直接影响熔池的存在。光斑直径过小，表明激光束照射下的熔覆材料升温速度更快，最高温度更高，熔池面积变小，与周围未熔化材料之间的温度梯度变大，会导致熔覆涂层稀释率高，孔隙和裂纹数量多。光斑直径过大，会带来如材料未完全熔化、熔覆涂层组织粗大、结合强度和性能不足等不良影响。
付福兴等通过在 40Cr基体上激光熔覆Ni60 粉末来研究激光光斑直径对裂纹的影响。研究表明，激光光斑直径会影响裂纹的产生，熔覆涂层裂纹的数量和开裂程度会随激光光斑直径的增大逐步变多变大。当激光光斑为 4 mm时，熔覆涂层的成型质量最好，裂纹数量最少，开裂程度最低。于克东等研究了离焦量对TiCoNiCrFe高熵合金涂层组织和性能的影响，发现涂层主要以枝晶为主，随着离焦量的增加，在枝晶间析出一种白色金属间化合物，致使枝晶逐渐细化。涂层的显微硬度随离焦量的增大出现先增加后减小的变化，其最高硬度（400.5 HV）出现在离焦量为 15 mm时。
激光熔覆技术大多应用在具有较高的附加值的结构复杂、加工难度大且耗时长，并对设备具有高要求的复杂零件，有些尺寸较大的零件存在难于移动和加工等因素会导致零件的制造和替换成本比较高，因此其具有较高的修复价值，比较常见的复杂曲面的零件包括但不局限于模具零件，各种较大尺寸的齿轮及轴类零件等。各种激光熔覆修复零件如图 3-4 所示。
图 3-4 激光熔覆修复的零件
（a）轴类；（b）阀类；（c）齿类；（d）薄壁类
激光熔覆属于非平衡凝固过程，而且激光熔覆涂层和基体材料两者之间性能差异较大，再加上熔覆过程中影响因素较多，导致激光熔覆涂层质量不易控制，结果就是在激光熔覆涂层中常出现裂纹、气孔和夹杂等冶金缺陷，如图 3-5所示，它们很大程度上影响着激光熔覆涂层的性能。
图3-5 激光熔覆涂层中的冶金缺陷
激光熔覆技术经过多年发展已趋于成熟，取得了诸多成果，大量应用于工业生产中，为传统产业升级、优化产品质量提供了新方法。虽然激光熔覆技术已日趋完善，但仍然存在以下五个主要问题。
（1）激光熔覆技术在工件尺寸、形状准确性方面还不够成熟。目前还不能稳定地获得具有较高精度的金属零件，满足不了制件对精度的要求，需要系统地研究提高尺寸精度和形状精度的有力措施。目前有两个办法可提高精度，一是对熔覆表面情况通过光信号来随时随地检测并对激光熔覆的过程牢牢控制和掌握，二是对熔覆涂层表面及其轮廓通过磨床或者铣床进行有效修整。可是现在仍然无法完全化解全部难题。
（2）激光熔覆涂层的裂纹问题。激光熔覆技术中最大的问题就是熔覆过程中出现的裂纹，因为加热速度快，使得熔覆涂层材料完全熔化时基体只熔化了一点，熔覆涂层同基体材料之间出现较大的温度梯度，所以迅速凝固时，产生的温度梯度同热膨胀系数的不同导致熔覆涂层同基体体积收缩不同步。一般来说，由于基体的收缩率小于熔覆涂层，周围环境（冷态下的基体）对熔覆涂层有所控制，所以在涂层中产生拉应力。如果小部分的拉应力大于其材料最大强度，就形成了裂纹。
另外，熔覆时的基体材料、工艺参数及熔覆厚度等条件对裂纹的出现也有一定影响。由于激光技术属急冷急热型，熔池出现的时间较短，熔覆涂层中的氧化物、硫化物和一些杂质未来得及释放，也可能成为裂纹源；熔覆涂层凝固结晶的时间很短，晶界空位、位错增加，原子排列无序，各种劣点增加，并且热脆性变强，塑韧性降低，开裂敏感性增强，随着熔覆厚度增加，以上问题愈加严重；自熔性合金元素硼与硅可能产生硬质相，裂纹程度与它们的百分含量呈正比；另外，在铁和镍中硼无熔解，所以析出物在晶界处聚集从而形成裂纹。
抑制裂纹生成的主要方法有：采用预热和缓冷来减少裂纹生成的可能性和松弛应力，预热是将基体整体或表面加热到一定的温度，减少熔覆涂层与基体材料之间温度梯度，缓和热应力的目的，缓冷是防止熔覆涂层组织（如马氏体）相变而诱发的组织应力；可设计阶梯熔覆涂层，在基体材料与表面熔覆涂层之间选用过渡熔覆涂层，过渡层性能介于基体材料和表面层材料之间，使熔覆涂层中应力呈阶梯分布，达到缓和应力并减少裂纹产生的目的。
（3）激光熔覆材料的体系问题。熔覆涂层材料和基体材料的融合程度不仅受激光加工工艺和熔覆厚度影响，还会受到熔覆涂层合金和基体材料性质的影响。若熔覆涂层合金和基体间熔点相差过多，则会产生不良的冶金结合。若熔覆涂层合金的熔点太大，涂层熔化少，表面较为不光滑且基体材料上层过烧，则会对涂层产生极大的影响；相反，若涂层过烧，则涂层和基体材料之间出现孔洞与夹杂。所以，应该选取对基体材料有着优良的润湿性且熔点稍小于基体材料的表面合金，能够实现预期的冶金结合。
（4）气孔的产生及预防。激光熔覆过程中，熔池凝固极快，产生的气体如果无法从熔覆涂层中逃逸而滞留，则会在熔覆涂层中形成气孔。熔池中产生气体的原因有以下五个：第一，熔覆材料烘干不彻底；第二，基体表面清理不干净；第三，采用黏结法预置材料时，黏结剂选择不合适；第四，激光熔覆过程中保护气保护效果不佳，造成空气侵入熔池；第五，含碳量高的熔覆材料，在激光熔覆过程中由于碳元素氧化而产生CO或CO 2 。
气孔的存在容易成为裂纹萌生和扩展的聚集地，因此控制熔覆涂层内的气孔也将是预防熔覆涂层产生裂纹的重要措施之一。气孔的控制主要从两个方面考虑：一是采取防范措施限制气体来源，如粉末在使用前烘干去湿、激光熔覆过程中采用惰性气体保护熔池；二是调整工艺参数，减缓熔池冷却结晶速度以利于气体的溢出。
（5）热力学模型不够完善。从热力学和外延生长的方面来说，深入讨论激光熔覆的迅速凝固，例如各个亚稳态相的生成规律、组织特点同溶质在冷凝时的分配规律，来深入地完善快速凝固理论，建立更加趋向实际熔池中的能量和动量及质量的传输模式，利用数值分析来获得熔池中定量的信息，有利于更深入了解此技术的相变规律。
激光熔覆技术是极具发展潜力的新型表面处理技术。结合国内外状况来看，目前激光熔覆技术的主要研究方向基本如下：
（1）研发功率大、寿命长及小型化的激光装置。研发可在较大功率激光下使用的光学器件材料，要提高电源的稳定性和寿命，并需减小大功率激光设备的体积。
（2）关于熔覆时产生的残余应力及裂纹的问题，研究有效的解决方法。对裂纹的解决，在梯度功能熔覆涂层的产生中再次得到了启发：通过在基体材料表面同熔覆涂层的中间添加具有优良韧性的中间层来改善熔覆涂层中产生的残余应力，便可得到没有裂纹的熔覆涂层。
（3）在凝固动力学、结晶学及相变理论中学习其基础理论知识，全面地讨论激光迅速凝固行为，得出材料微结构的形成及演化机理与规律；对熔池的温度场分布、熔池流的对流机制及冷凝时熔覆涂层内组织发生变化的过程和规律进行研究，从而改善加工工艺参数。
（4）通过激光熔覆技术，对熔覆材料的力学性能、耐腐蚀性及耐磨性等表面特性进行更深入的分析。
（5）利用激光熔覆器的创新，综合大功率激光设备的研发及激光光学系统的设计来对熔覆技术的自动化和信息化进一步提高，从而缓解熔覆较大面积的工艺难题。
（6）激光纳米表面工程。激光熔覆一般取的熔覆材料为传统的热喷涂用铁、镍、Co基合金粉末，粒度均大于几十微米，激光熔覆涂层有很高的开裂敏感性。因纳米材料的尺寸较小，纳米微粒的熔点及晶化温度相对常规粉末要低一些，纳米粒子较高的界面能使原子扩散程度提高，从而令熔覆涂层更致密，涂层开裂程度降低。